Grafeen – een atoomdikke laag koolstof – is aangeprezen als een nieuw wondermateriaal:het is sterker dan staal en geleidt elektriciteit beter dan koper.

In het journaal Natuur Nanotechnologie vandaag, mijn collega's en ik laten zien hoe grafeen kan worden gebruikt om een ​​detector van lange golflengte (ver infrarood of terahertz) licht te bouwen die net zo gevoelig is als elke bestaande detector, maar veel kleiner en meer dan een miljoen keer sneller. De detector zou nachtkijkers kunnen verbeteren, hulpmiddelen voor chemische analyse en bodyscanners op luchthavens.

Maar voordat ik inga op het onderzoek, Ik wil het graag hebben over hoe we van de ontdekking van een nieuw wondermateriaal zoals grafeen naar nieuwe technologieën komen die nuttig zijn.

Als onderzoeker die aan nieuwe materialen werkt, Ik krijg constant de vraag "waar is het goed voor?" Om dit te beantwoorden, het eerste dat wij onderzoekers vaak proberen, is ons het nieuwe materiaal voor te stellen als een vervanging voor een bestaand materiaal in een bestaande technologie.

Het probleem met die aanpak is dat elke bestaande technologie veel momentum heeft. Bijvoorbeeld, denk aan computerprocessors. De elektronen in grafeen bewegen ongeveer 70 keer sneller dan die in silicium (die tegenwoordig in de meeste computerprocessors worden gebruikt) onder dezelfde omstandigheden, dus grafeen zou aantoonbaar kunnen worden gebruikt om snellere computerchips te maken.

Maar zo eenvoudig is het niet. Er zijn veel redenen waarom we silicium gebruiken naast de snelheid waarmee elektronen reizen - het vormt gemakkelijk een sterke oxidelaag en het is gemakkelijk te dopen, om een ​​paar te noemen. En overstappen op een radicaal ander materiaal zou betekenen dat alle infrastructuur wordt weggegooid die werd gebruikt om siliciumchips te maken die de afgelopen decennia met enorme kosten zijn ontwikkeld.

Dus een betere vraag - hoewel veel moeilijker te beantwoorden - is om te vragen wat een nieuw materiaal ons in staat stelt te doen dat geen ander materiaal eerder heeft. De antwoorden op die vraag komen niet altijd meteen, en soms komen ze toevallig.

Twee lagen zijn beter dan één

Een eigenschap van grafeen die me interesseerde, was dat dubbellaags grafeen (twee lagen op elkaar gestapeld) een bandgap heeft - de basiseigenschap van een halfgeleider - die kan worden afgestemd door een elektrisch veld op het materiaal aan te leggen.

Ik werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Maryland om deze bandgap te meten met infrarood licht, aangezien infraroodfotonen energieën hebben die vergelijkbaar zijn met de bandgap van dubbellaags grafeen. Toen we de geleidbaarheid van ons dubbelgelaagde grafeen onder infraroodverlichting maten, we ontdekten dat het veel meer veranderde dan we hadden verwacht.

In feite, de verandering in geleiding in ons grafeen was groter dan die van de commerciële siliciumfotodetector die we gebruikten om de kracht van onze infraroodstraal te meten! Om de een of andere reden, ons grafeen was een uitstekende fotodetector.

We wisten genoeg over grafeen om erachter te komen wat er aan de hand was. Wanneer de elektronen in grafeen licht absorberen, ze warmen op. Bij de meeste materialen, de elektronen verliezen snel energie aan trillingen van de atomen, die we voelen als warmte.

Maar in grafeen is dit proces van warmteverlies erg inefficiënt, wat grafeen zijn buitengewoon hoge elektrische geleidbaarheid geeft. Wat we ons realiseerden is dat dubbellaags grafeen met een bandgap een geleidbaarheid heeft die sterk varieert met de elektronentemperatuur, waardoor we de verandering in elektronentemperatuur kunnen aflezen die wordt veroorzaakt door het licht dat de elektronen verwarmt.

Zo'n apparaat wordt een "hete elektronenbolometer" genoemd en dubbellaags grafeen is een zeer goede. We publiceerden ons resultaat in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie in 2012, en verschillende onderzoeksgroepen zijn geïnteresseerd in de ontwikkeling van grafeenbolometers als uiterst gevoelige cryogene detectoren voor gebruik in radioastronomie.

Helaas, het bolometrische effect werkt alleen goed bij lage temperatuur, waar de weerstand van dubbellaags grafeen sterk verandert met de temperatuur. Maar we wisten uit onze metingen dat hete-elektroneffecten belangrijk zouden moeten zijn in grafeen bij kamertemperatuur.

Ons team ontwierp een apparaat dat de hete elektronen bij kamertemperatuur kon meten, met behulp van een effect genaamd thermo-elektriciteit. Onze eerste grafeen fotothermo-elektrische detectoren waren qua gevoeligheid vergelijkbaar met de best beschikbare kamertemperatuurdetectoren van licht in het verre infrarood, of terahertz, regime van het elektromagnetische spectrum, en we zagen ruimte voor ordes van grootte verbeteringen in gevoeligheid met nieuwe ontwerpen.

interessant, onze apparaten waren meer dan een miljoen keer sneller dan die detectoren, en het zijn deze resultaten die we vandaag publiceren, weer binnen Natuur Nanotechnologie .

Grafeen laat ons het licht zien

Detectie van infrarood- en terahertz-licht kent talrijke toepassingen, van chemische analyse tot nachtkijkers tot bodyscanners die worden gebruikt bij de beveiliging van luchthavens.

Maar aangezien een ultrasnelle, gevoelige terahertz-detector nooit eerder als een mogelijkheid werd beschouwd, het is moeilijk te zeggen waar onze apparaten kunnen worden toegepast.

Onze detector kan worden gebruikt om chemische analysetechnieken te versnellen, zoals Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie, of FTIR.

Omdat de grafeendetector gemakkelijk gemicrofabriceerd is, we stellen ons arrays van detectorpixels voor die geschikt zijn voor beeldvorming, wat zou kunnen leiden tot goedkope infraroodcamera's of nachtkijkers.

Onze berekeningen laten zien dat het fotothermo-elektrische effect van hete elektronen een efficiënt middel kan zijn om energie uit licht te halen. Misschien kunnen onze apparaten worden gebruikt om het infrarode licht te verzamelen dat van de aarde ontsnapt naar de nachtelijke hemel, en zet het om in elektriciteit. Misschien worden ze gebruikt voor iets waar we nog niet eens aan hebben gedacht.

Maar waren we nooit op zoek gegaan naar een nieuw materiaal om te begrijpen hoe het werkt, we zouden deze nieuwe antwoorden op de vraag nooit hebben ontdekt, "waar is het goed voor?"

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).